Materiale Ceramice Compozite Biocompatibile

7/31/2019 Materiale Ceramice Compozite Biocompatibile

1/6

Universitatea Dunarea de Jos Galati, Facultatea de Metalurgie, StiintaMaterialelor si Mediu, Student Marcu Florin

MATERIALE CERAMICE COMPOZITE BIOCOMPATIBILE

Orice material sintetic ce urmeaza sa fie implantat n corp trebuie sa fie biocompatibil, sanu produca nici o reactie inflamatorie. Conform definitiei unanim acceptate elanborata de

Williams n 1987, un material cu biocompatibilitate optima este acela ce nu determina nici oreactie adversa a tesutului. Materialul respectiv trebuie sa reziste tensiunilor fiziologice de oricefel fara sa sufere modificari dimensionale. Implanturile trebuie deci sa reziste oricarui atacdegradativ sau coroziv din partea fluidelor fiziologice. Materialele trebuie sa fie usor de fasonat,rezistente la forte, sa nu altereze compozitia electrolitica a plasmei sau tesuturilor, sa nu cedezela coroziunea electrochimica, sa nu interfereze cu mecanismul de aparare a corpului, sa nuformeze celule cancerigene, sa nu determine traume a sngelui, coagularea sau denaturareaproteinelor sanguine.

Materialul introdus n corp poate fi influenat de mediul fiziologic si la rndul sau poateinfluenta fluidele si tesuturile nconjuratoare. n aceste conditii materialele pot suferi diferite

deteriorari fizice sau chimice. Se poate face distinctia ntre cercetarea medicala aplicata sauclinica, n care medicii practicanti din spitale sunt implicati (dezvoltarea si punerea n practica aprotezelor, organelor artificiale, etc.), si studii fundamentale a biocompatibilitatii materialelor,care sunt rezultatul unor echipe mult mai specializate.

Din punct de vedere al materialelor temele de studiu sunt urmatoarele:

- studiul reactiilor induse la nivelul interfetei sistemului viu-material. Ce urmarescmodificarile materialului si reactiile organismului;

- crearea de materiale care poseda un cuplu de proprietati

biofunctionale/biocompatibilitate mai bun.

Chirurgia cardio-vasculara si cea ortopedica sunt doua exemple particulare. Domeniulcardio-vascular ridica problema hemocompatibilitatii, ce se refera la coagularea sngelui nprezenta corpurilor straine si la riscul trombozei. Studiul hemocompatibilitatii include sicercetarea raspunsului sistemului autoimun, al reactiilor celulare mai ales ale limfocitelor sileucocitelor.

n chirurgia ortopedica sunt 3 domenii de cercetare :

1. studii la interfata os/biomaterial, fie in vitro (biocompatibilitate la interfata

osteoblaste/material, studiul modificarilor de stare de suprafata a materialului,biointegrarea si fiziopatologia celulelor osoase n material), fie in vivo (studiuladerarii biomaterialului la os, caracteristicile vscoelastice ale tesutului n contactcu materialul, ale membranei fibroase care se creeaza n jurul biomaterialelor,etc);

2. biomecanica celulara, n special studiul reactiilor celulelor endoteliale la forte deforfecare si reactiile celulelor osoase la forte controlate hidrodinamic sau de


2/6


forfecare, modelarea reactiilor tinnd cont de deformarea citoscheletului saustudiul biologiei inflamatiei n prezenta biomaterialelor;

3. dezvoltarea de materiale noi: polimeri functionali ce poseda grupuri susceptibile

de a interactiona cu osteoblastele si/sau fibroblastele

Cercetarea materialelor biocompatibile trebuie sa se limiteze la un numar de obiective generaleca:

Problemele de adeziune si proprietatile mecanice ale materialelor biocompatibile

Performantele functionale pe termen lung

Ceramiciele sunt folosite larg n stomatologie dar si n aplicatiile de inginerie a tesutuluiosos. Pentru aplicatii dentare si proteze de sold se folosesc frecevnt alumina si apatita.

Alumina (Al2O3) este rezistenta la coroziune, o biocompatibilitate buna, rezistenta nalta,precum si o buna rezistenta la uzura.

Hidroxiapatita (HAp) este o ceramica pe baza de fosfat de calciu, folosita de peste 20 deani n medicina si stomatologie. Hidroxiapatita preparata comercial este biocompatibila, iarbiodegradabilitatea este absenta sau limitata Degradarea hidroxiapatitei poate fi controlata prinvariatia structurii chimice. Fosfatul tricalcic se degradeaza mult mai repede dect hidroxiapatita.

Actualmente sulfatul de calciu cunoscut sub numele de Osteoset (Wright MedicalCorporation) este produs pentru aplicatii ortopedice pentru regiuni care nu sunt supuse fortelormari, ca platoul tibial. Tablete de Osteosetau dimensiunea aspirinei si se pot utiliza n scheletulcraniofacial, pentru a umple goluri din os. O combinatia de sulfat de calciu si fosfat tricalcic(Hapset) a fost creata pentru aplicatii stomatologice; totusi, gaurile ramase n urma extractiilor serefac n mod neuniform, iar includerea unui material strain este incerta. Dintre dezavantajeleceramicilor pe baza de calciu este rezistenta mecanica redusa a acestor materiale poroase.

S-a efectuat un studiu pentru a se obtine un biomaterial ceramic compozit care sa mbineproprietatile mecanice ale aluminei cu biocompatibilitatea hidroxiapatitei. Pentru aceasta s-aupreparat amestecuri cu compozitii diferite de hidroxiapatita si alumina. Alumina n procente

diferite ofera rezistenta mecanica buna care, corelata cu compatibilitatea hidroxiapatitei duce larealizarea unui biocompozit utilizabil n medicina. S-au folosit 3 amestecuri (tabel 1).

Proba HAp [%] Al2O3 [%]

1 80 202 70 303 60 40


3/6


Tabel 1 Compozitia amestecurilor

Pentru obtinerea hidroxiapatitei se amesteca solutii de Ca(NO3)2 si (NH4)2HPO4 nprezenta de NH4OH pna la pH cuprins ntre valorile 810. Amestecul se sintetizeaza la 100

0C

timp de 24h. Precipitatul astfel obtinut se spala cu apa distilata, se introduce n etuva, latemperatura de 120OC timp de 30h, n vederea uscarii. S-a ales temperatura de sinterizare apulberii la 9000C, timp de 3 ore cu racire lenta. Dupa tratamentul termic, hidroxiapatita a fostcaracterizata din punct de vedere al compozitiei fazale (difractie de raze X) al distributieigranulometrice precum si al microstructurii (microscopie electronica cu baleiaj SEM). Analizatermica a pulberii obtinuta prin uscare la 1200C timp de 30 ore evidentiaza efecte endoterme censotesc pierderea apei prin evaporare si deshidratarea. Analiza termica evidentieaza osuccesiune de efecte endotermice datorate evaporarii apei, deshidratarii si descompunerii fazelorde masa de ~ 34%. Studiul compozitiei fazale s-a realizat cu un difractometru de raze X de tipHZG - 4A, dotat cu goniometru orizontal n geometrie Bragg - Bretano n 2. S-a utilizat ungenerator de raze X CuK, la o tensiune de 40 kV si un curent de 30 mA. Studiul difractogramei

probei analizate poate spune ca faza de echilibru obtinuta este HAp. La pulberea dehidroxiapatita obtinuta n urma tratamentului termic la 9000C s-a studiat distributiagranulometrica. Suprafata specifica determinata este de 4,51 m2/cm3, iar granulele suntrepartizate n doua grupuri functie de dimensiuni.

Distributia granulometrica nregistrata pe proba de HAp sinterizata din (NH4)2HPO4 siCa(NO3)2, tratata termic la 900

oC pune n evidenta trei fractiuni corespunzatoare intervalelordimensionale :

0,1 - 5 m (cu ponderi de 10 - 60%),

10 - 20 m cu o pondere redusa de 0 - 5%

o fractiune de 50 - 100 m.

Proba este studiata cu ajutorul microscopului electronic cu baleiaj Philips 515 echipat cuun sistem de analiza dispersiv n energie EDS si dispersiv n lungime de unda WDX. nainteaexaminarii, proba a fost acoperita cu un strat de argint, ntr-o incinta vidata, pentru a i confericonductibilitate electrica. Microscopia electronica pune n evidenta aglomerari cristaline cuinterconectare. S-a efectuat si un studiu de compozitie prin EDS pentru masurarea raportuluiCa/P. Rezultatul acestui studiu (41,72% gr. P si 67,28% gr. Ca) arata o hidroxiapatitasubstoechiometrica n calciu.

Alumina a fost sintetizata pornind de la AlCl3*6H2O din care s-a precipitat oxidul n

prezenta de hidroxid de amoniu la pH=10 - 12. Precipitatul obtinut este uscat n etuva la 1200

Ctimp de 5h, obtinndu-se o pulbere alba, pe care se efectueaza analize termice. Se alegetemperatura de calcinare de 5500C timp de o ora, produsul de calcinare a fost evaluat prindifractie de raze X, ca fiind - alumina. Analiza termogravimetrica realizata pe pulberea obtinutadupa uscarea la 1200C timp de 5h, pune n evidenta efectele endoterme ce nsotesc procesul depierdere a apei prin evaporare si prin deshidratare.


4/6


Datele difractometrice evidentiaza initierea procesului de cristalizare, alumina aflndu-sentr-o etapa incipienta a acestui proces. Pe pulberea de alumina tratata termic la 5500C timp de1h, s-a efectuat studiul distributiei granulometrice. Suprafata specifica determinata prin aceastametoda este de 6,29 m2/cm3. Analiza granulometrica pe pulberea de alumina arata doua fractiuni

distincte cu dimensiuni ale granulelor n intervale cuprinse ntre 0,1 - 4 m, si respectiv ntre 50si 500 m.

Pentru a se obtine materialul compozit pe baza de hidroxiapatita si alumina s-a pornit de latrei amestecuri ale caror compozitii sunt prezentate n tabelul 2.

PROBAELEMENT (%)Al Ca P

M11100C/3h

6,40 59,77 33,82M2 9,94 56,01 34,01M3 10,87 59,18 29,95

Tabel 2 Proportiile elementelor constitutive ale probelor M1, M2 si M3 la 11000C timp de 3h.

Dupa tratamentul termic, probele au fost caracterizate din punct de vedere al:

compozitiei fazale prin difractie de raze X

al proprietatilor ceramice (prin densitate aparenta, absorbtia apei si porozitate)

al microstructurii (prin microscopie electronica cu baleiaj - SEM)

al proprietatilor mecanice (la compresiune)

al stabilitatii chimice (prin masurarea evolutiei valorilor pH - ului solutiei de serfiziologic).

Difractogramele rezultate n studiu au demonstrat ca fazele principale existente dupaatingerea starii de echilibru sunt hidroxiapatita si alumina ntr-o proportie similara compozitieiamestecurilor prezentata n tabelul 1, dar apar si doi fosfati de calciu slab cristalizati. S-audeterminat si determinate proprietatile ceramice: densitatea aparenta, absorbtia si porozitateaaparenta. Toate compozitiile si tratamentele termice considerate au fost supuse la trei masuratoripe cte trei epruvete, lundu-se n considerare media celor trei valori.

Analiznd datele obtinute pentru densitatea aparenta se poate concluziona ca:

valoarea nregistrata creste odata cu cresterea temperaturii datorita procesului desinterizare, care se intensifica la temperaturi mai nalte;

densitatea aparenta este determinata att de densitatile de procesare ct si de raportulconstituentilor


5/6


Porozitatea aparenta este o reflectare a gradului de sinterizare. Valorile cele mai ridicates-au obtinut pe probele tratate la 1000oC. Valorile scad cu cresterea temperaturii de tratamenttermic. Cele mai reduse porozitati se obtin pentru probele tratate la 1200oC cu o valoare minimacentrata pe proba M2 cu 30% Al2O3. Aceasta sugereaza un raport optim HAp/Al2O3 pentru

realizarea unei sinterizari mai avantajoase.

Microscopia electronica pe probele M1, M2 si M3 tratate termic la 1100oC cu palier de3h evidentieaza o microstructura cu grade diferite de agregare, see evidentieaza cristalele deAl2O3, de HAp si pori intergranulari.

Caracteristicile mecanice s-au caracterizat prin masurarea rezistentei la compresiune,observndu-se influenta temperaturii de sinterizare si a proportiei de alumina din compus prinnregistrarea unor rezistente mai mari la compozitiile cu procent de alumina crescut 30-40% sitemperatura crescuta de sinterizare (11000C si 12000 ).

Stabilitatea chimica s-a evaluat prin masurarea variatiei pH-ului unei solutii de ser fiziologic,dupa introducerea unei probe de material sinterizat (concentratia suspensiei fiind de 1:25).Masurarea pH-ului se realizeaza cu ajutorul unui pH-metru electronic cu electrod cu senzor detemperatura integrat. Evolutia pH-ului se urmareste pentru probele M1, M2 si M3 tratate termicla 11000C si 12000C, cu palier de o ora si 3 ore. Datele obtinute pun n evidenta valori ale pH-ului stabile dupa 30 ore la valori cuprinse n intervalul 6,8 - 7,4.

Se efectueaza testarea biologica in vitro. Pentru probele M1 si M3 tratate la 12000C - 3h,se efectueaza studii utilizndu-se cianobacterii (celule Synechocystis PCC 6803). Celulele au fostdepuse pe probele ceramice, iar apoi ntreg sistemul a fost supus agitarii, la 32 0C, n luminacontinua. Concentratia de clorofila extrasa din suspensie, prezentata n tabelul 3 arata ca celedoua materiale nu au avut efect toxic asupra celulelor.

Timp, zile Proba Chl a/ml Observatii

0 M1 0

4 3,2

5 6,4

14 34,1

14 33,5 Dupa sedimentare

0 M3 0

4 5,75 5,8

14 27,8

14 29,2 Dupa sedimentare

Tabel 3 - Studiu in vitro pe probele M1 si M3


6/6


Studiul a urmarit realizarea unui material compozit pe baza de hidroxiapatita si alumina,cu aplicatii n implantologie. Alumina adaugata n diferite procente ofera biomaterialului orezistenta mecanica buna, si datorita compatibilitatii ridicate a hidroxiapatitei, duce la obtinereaunui biocompozit utilizabil pe scara larga n implantologie.Biomaterialele compozite studiate pot

fi folosite ca biomateriale, dar nu nainte de a se face un studiu mai amanuntit asupracaracteristicilor de biocompatibilitate. .

Bibliografie

1. Ravaglioli A. Krajewski A, IRTEC - CNR, Faenza: Bioceramics, Materials, Properties,Applications, 1995;

2. Ravaglioli A, Krajewski A, Dondi M, Piancastelli A, Ercolani P, Tarlazzi S, Fanti L:Chemical properties of various hydroxyapatite powders for industrial production. Ceramics

International, 1994;

3. Aoki H: Science and Medical Applications of Hydroxyapatite. Ishiyaku Euro America.Inc Tokyo, St. Louis, 1994;

4. lsarczyk A: Hydroxyapatite toothpaste. Intercream, 1991;

5. L.L.Hhenrich: Ceramics in Substituitve and Reconstructive Surgery, Ed. P.Vincezini,Elsevier, 1991

Documents

Materiale Ceramice Compozite Biocompatibile